SmartDO

使用SmartDO的AI強化智慧運算分析壓縮機葉片之設計極限

壓縮機葉片設計是非常複雜的工程問題。它有許多限制條件要達到，但又要同時優化許多性能指標。SmartDO的直接優化求解器，在題目有明確完整的定義下，可以提供數學上更系統化且穩定的方法，分析不同設計條件下的極限。

離心壓縮機工作時除了要求設計點效率高以外，還要兼顧失速流量和阻塞流量的工作範圍，以適應變工況的工作要求。因此在做離心壓縮機優化設計的時候需要保證設計點的效率、壓力、流量以外，還需要對失速工況和阻塞進行考慮。

本篇文章為結合工程實際設計要求的單機離心式壓縮機優化案例。優化目標和約束條件需要結合實務設計參數給定。不同的氣動設計條件參數需要結合經驗進行給定。

如圖1所示為此離心式壓縮機葉片的幾何外型。用戶希望探討，在設計點(Design Point)，失速點(Surge Ponit)及阻塞點(Choke Ponit)都各有其要求情況下，設計點壓縮比是否可能大於1.9。現有設計目前並無法達到此需求，且用戶用各種設計方法調整階無法突破設計極限。 故用戶求助於SmartDO，希望能計算新的設計條件限制下，是否有可行的設計方案存在。

本設計問題，在SmartDO數學定義如下。其中18個設計變數，為常用之葉片幾何形狀參數。

• Find : DV1~DV18
• Maximize : 0.7*Eff(DP)+0.3*Eff(SP)
• Subjected to :
• Shaft_Power(DP) ＜220KW
• Pressure_Ratio(TT)＞1.9
• Massflow(CP) ＞3.5kg/s
• DP: Design Point
• SP: Surge Point
• CP: Choke Point
• TT: Total Pressure

圖 1.離心式壓縮機葉片的幾何外型。

使用SmartDO計算此問題之直接數值解。SmartDO一共呼叫外部CAE軟體進行了289次的CAE分析，其非線性求解迭代曲線如圖2(左)所示。可看出SmartDO順利收斂。
圖2(右)所示則為所有設計變數對此設計問題整體(包含所有目標，束制條件允許變動範圍等)之綜合敏感度。

圖 2.(左)SmartDO非線性求解迭代曲線。(右)所有設計變數對此設計問題整體(包含所有目標，束制條件允許變動範圍等)之綜合敏感度。

圖3(左)為初始設計與SmartDO優化後之數值結果。圖3(右)為葉片型狀之改變。優化後壓縮比已達到1.9，且其他限制條件都符合要求。

圖 3.(左)初始設計與SmartDO優化後之數值結果。(右)SmartDO優化前後之葉片形狀。

圖 4.SmartDO優化計算前後之性能曲線比較

SmartDO除了一般所認知的複雜問題優化設計，還可以應用在許多不同的分析運算上。 以本電子報為例，經由改變設計條件，可以讓SmartDO分析，原本之設計是否可能突破極限改變設計，產生有意義的改善方向。

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